第一章晶体结构及晶体中的缺陷2

1、2022-2-241第一章第一章 晶体结构及晶体结构及晶体中的缺陷晶体中的缺陷材料科学与工程学院材料科学与工程学院邢光建邢光建2022-2-2421.9 晶体中的缺陷晶体中的缺陷u晶体结构的特点是长程有序。结构基元或者构成物体的粒晶体结构的特点是长程有序。结构基元或者构成物体的粒子子(原子、离子或分子等原子、离子或分子等)完全按照空间点阵规则排列的晶体完全按照空间点阵规则排列的晶体叫理想晶体。叫理想晶体。u在实际晶体中，粒子的排列不可能这样规则和完整，而是在实际晶体中，粒子的排列不可能这样规则和完整，而是或多或少地存在着偏离理想结构的区域，出现了不完整性。或多或少地存在着偏离理想结构的区域，出

2、现了不完整性。u把实际晶体中偏离理想点阵结构的区域称为把实际晶体中偏离理想点阵结构的区域称为晶体缺陷晶体缺陷。u实际晶体中虽然有晶体缺陷存在，但偏离平衡位置很大的实际晶体中虽然有晶体缺陷存在，但偏离平衡位置很大的粒子数目是很少的，从总的来看，其结构仍可以认为是接近粒子数目是很少的，从总的来看，其结构仍可以认为是接近完整的。完整的。2022-2-243晶体中的缺陷晶体中的缺陷 空位空位(vacancy) -肖脱基肖脱基(Schottky)空位空位 -弗兰克尔弗兰克尔(Frenkel)空位空位 间隙原子间隙原子(interstitial atom) 置换原子置换原子(substitution at

3、om)晶界、相界、层错、表面晶界、相界、层错、表面位错位错 复杂点缺陷：复杂点缺陷：空位对、空位团和空位对、空位团和 空位空位-溶质原子对溶质原子对 1. 点缺陷点缺陷2. 线缺陷线缺陷3. 面缺陷面缺陷根据几何形态特征，可以把晶体缺陷分为三类：根据几何形态特征，可以把晶体缺陷分为三类：点缺陷、线点缺陷、线缺陷和面缺陷。缺陷和面缺陷。2022-2-244晶体缺陷之晶体缺陷之点缺陷点缺陷 定义：点缺陷定义：点缺陷（point defect）是在晶体晶格）是在晶体晶格结点上或邻近区域偏离其正常结构的一种缺陷。结点上或邻近区域偏离其正常结构的一种缺陷。 是最简单的晶体缺陷，在三维空间各个方向上是最简

4、单的晶体缺陷，在三维空间各个方向上尺寸都很小尺寸都很小（远小于晶体或晶粒的线度）（远小于晶体或晶粒的线度），范，范围约为一个或几个原子尺度。围约为一个或几个原子尺度。2022-2-245u原子相互作用的两种作用力：原子相互作用的两种作用力：(1)原子间的吸引力；原子间的吸引力；(2)原子间的斥力原子间的斥力 u点缺陷形成最重要的环节是原子的振动点缺陷形成最重要的环节是原子的振动 u原子的热振动原子的热振动 （以一定的频率和振幅作振动）以一定的频率和振幅作振动）u原子被束缚在它的平衡位置上，但原子却在做着挣脱原子被束缚在它的平衡位置上，但原子却在做着挣脱束缚的努力。束缚的努力。当某一原子具有足够

5、大的振动能而使振幅当某一原子具有足够大的振动能而使振幅增大到一定限度时，就可能克服周围原子对它的制约作增大到一定限度时，就可能克服周围原子对它的制约作用，跳离其原来的位置，使点阵中形成空结点。用，跳离其原来的位置，使点阵中形成空结点。 晶体缺陷之晶体缺陷之点缺陷点缺陷形成形成2022-2-246u点缺陷形成的驱动力点缺陷形成的驱动力：温度、：温度、离子轰击、冷加离子轰击、冷加工工 u在外界驱动力作用下，哪个原子能够挣脱束缚，在外界驱动力作用下，哪个原子能够挣脱束缚，脱离平衡位置是不确定的，宏观上说这是一种脱离平衡位置是不确定的，宏观上说这是一种几率分布。几率分布。2022-2-247晶体点缺陷

6、之晶体点缺陷之空位空位u定义定义：当某一瞬间，某个原子具有足够大的能量，：当某一瞬间，某个原子具有足够大的能量，克服周围原子对它的制约，跳出其所在的位置，使克服周围原子对它的制约，跳出其所在的位置，使晶格中形成空结点，称晶格中形成空结点，称空位空位。u脱位原子大致有三个去处：脱位原子大致有三个去处： (1) 脱位原子迁移至晶界或晶体表面所形成的空位脱位原子迁移至晶界或晶体表面所形成的空位 叫叫肖脱基肖脱基(Schottky)空位；空位； (2) 脱位原子挤入晶格结点的间隙中所形成的空脱位原子挤入晶格结点的间隙中所形成的空 位叫位叫弗兰克尔弗兰克尔(Frenkel)空位，空位， (3) 迁移迁移

7、到其他空位处，这样虽然不产生新的空到其他空位处，这样虽然不产生新的空 位，但可以使空位变换位置。位，但可以使空位变换位置。2022-2-248晶体中的各种点缺陷晶体中的各种点缺陷1 大的置换原子；大的置换原子；2 肖脱基空位；肖脱基空位；3间隙原子；间隙原子；4复合空位；复合空位；5弗兰克尔空位；弗兰克尔空位；6小的置换原子小的置换原子2022-2-249晶体点缺陷之晶体点缺陷之间隙原子间隙原子u处于晶格间隙中的原子即为处于晶格间隙中的原子即为间隙原子间隙原子。在形成。在形成弗兰克尔空位的同时，也形成一个间隙原子，弗兰克尔空位的同时，也形成一个间隙原子，另外溶质原子挤入溶剂的晶格间隙中后，也成

8、另外溶质原子挤入溶剂的晶格间隙中后，也成为间隙原子，它们都会造成严重的晶体畸变。为间隙原子，它们都会造成严重的晶体畸变。u间隙原子也是一种热平衡缺陷，在一定温度下间隙原子也是一种热平衡缺陷，在一定温度下有一平衡浓度，对于异类间隙原子来说，常将有一平衡浓度，对于异类间隙原子来说，常将这一平衡浓度称为固溶度或溶解度。这一平衡浓度称为固溶度或溶解度。2022-2-2410晶体点缺陷之晶体点缺陷之置换原子置换原子 占据在原来基体原子平衡位置上的异类原子称占据在原来基体原子平衡位置上的异类原子称为为置换原子置换原子。 由于原子大小的区别也会造成晶格畸变，置换由于原子大小的区别也会造成晶格畸变，置换原子在

9、一定温度下也有一个平衡浓度值，一般原子在一定温度下也有一个平衡浓度值，一般称之为固溶度或溶解度，通常它比间隙原子的称之为固溶度或溶解度，通常它比间隙原子的固溶度要大的多。固溶度要大的多。2022-2-2411点缺陷的运动点缺陷的运动u点缺陷并非固定不动，而是处在不断改变位置的运动过程点缺陷并非固定不动，而是处在不断改变位置的运动过程中。中。u空位周围的原子，由于热振动能量的起伏，有可能获得足空位周围的原子，由于热振动能量的起伏，有可能获得足够的能量而跳入空位，并占据这个平衡位置，这时在这个原够的能量而跳入空位，并占据这个平衡位置，这时在这个原子的原来位置上，就形成一个空位。这一过程可以看作是空

10、子的原来位置上，就形成一个空位。这一过程可以看作是空位向邻近结点的迁移。位向邻近结点的迁移。u在运动过程中，当间隙原子与一个空位相遇时，它将落入在运动过程中，当间隙原子与一个空位相遇时，它将落入这个空位，而使两者都消失，这一过程称为这个空位，而使两者都消失，这一过程称为复合复合，或湮没。，或湮没。点缺陷的运动及平衡浓度点缺陷的运动及平衡浓度2022-2-2412 空位在晶体中空位在晶体中并非静止不动，并非静止不动，它可借助热激它可借助热激活而作无规则活而作无规则的运动。的运动。 空位的迁移，空位的迁移，实质上是其周实质上是其周围原子的逆向围原子的逆向运动。运动。空位的迁移空位的迁移空位的迁移空

11、位的迁移2022-2-2413点缺陷的平衡浓度点缺陷的平衡浓度u晶体中点缺陷的存在，一方面造成点阵畸变，使晶体的内晶体中点缺陷的存在，一方面造成点阵畸变，使晶体的内能升高，增大了晶体的热力学不稳定性；另一方面，由于增能升高，增大了晶体的热力学不稳定性；另一方面，由于增大了原子排列的混乱程度，并改变了其周围原子的振动频率，大了原子排列的混乱程度，并改变了其周围原子的振动频率，又使晶体的熵值增大。熵值越大，晶体便越稳定。又使晶体的熵值增大。熵值越大，晶体便越稳定。u由于存在着这两个互为矛盾的因素，晶体中的点缺陷在一由于存在着这两个互为矛盾的因素，晶体中的点缺陷在一定温度下有一定的平衡数目，这时点缺

12、陷的浓度就称为它们定温度下有一定的平衡数目，这时点缺陷的浓度就称为它们在该温度下的热力学平衡浓度。在该温度下的热力学平衡浓度。u在一定温度下有一定的热力学平衡浓度，这是点缺陷区别在一定温度下有一定的热力学平衡浓度，这是点缺陷区别于其它类型晶体缺陷的重要特点于其它类型晶体缺陷的重要特点。点缺陷的运动及平衡浓度点缺陷的运动及平衡浓度2022-2-2414与振动熵有关的常数玻尔兹曼常数变化每增加一个空位的能量阵点总数平衡空位数AKENnKTEANnCvv)/exp(2022-2-2415点缺陷对晶体材料性能的影响点缺陷对晶体材料性能的影响 一般情形下，点缺陷主要影响晶体的物理性质，一般情形下，点缺陷

13、主要影响晶体的物理性质，如比容、比热容、电阻率、扩散系数、介电常数如比容、比热容、电阻率、扩散系数、介电常数等。等。 1. 比容比容 形成形成Schottky空位时，原子迁移到晶体表面上的空位时，原子迁移到晶体表面上的新位置，导致晶体体积增加。新位置，导致晶体体积增加。 2. 电阻率电阻率 金属的电阻主要来源于离子对传导电子的散射。金属的电阻主要来源于离子对传导电子的散射。正常情况下，电子基本上在均匀电场中运动，在正常情况下，电子基本上在均匀电场中运动，在有缺陷的晶体中，晶格的周期性被破坏，电场急有缺陷的晶体中，晶格的周期性被破坏，电场急剧变化，因而对电子产生强烈散射，导致晶体的剧变化，因而对

14、电子产生强烈散射，导致晶体的电阻率增大。电阻率增大。2022-2-2416 3. 比热容比热容 形成点缺陷需向晶体提供附加的能量形成点缺陷需向晶体提供附加的能量(空位生成焓空位生成焓)，因而引起附加比热容。因而引起附加比热容。 4. 其他其他 此外，点缺陷还影响其他物理性质，如扩散系数、此外，点缺陷还影响其他物理性质，如扩散系数、介电常数等。在碱金属的卤化物中，点缺陷称为介电常数等。在碱金属的卤化物中，点缺陷称为色心，会使晶体呈现色彩。点缺陷对金属力学性色心，会使晶体呈现色彩。点缺陷对金属力学性能的影响较小，它只通过与位错的交互作用，阻能的影响较小，它只通过与位错的交互作用，阻碍位错运动而使晶

15、体强化。但在高能粒子辐照的碍位错运动而使晶体强化。但在高能粒子辐照的情形下，由于形成大量的点缺陷而能引起晶体显情形下，由于形成大量的点缺陷而能引起晶体显著硬化和脆化（辐照硬化）。著硬化和脆化（辐照硬化）。点缺陷对晶体材料性能的影响点缺陷对晶体材料性能的影响2022-2-2417u线缺陷线缺陷就是在两个方向上尺寸很小，在一个方向上尺寸很就是在两个方向上尺寸很小，在一个方向上尺寸很大的缺陷。大的缺陷。u线缺陷是各种类型的线缺陷是各种类型的位错位错。u位错位错是晶体内部一种有规律的管状畸变区。原子发生错排是晶体内部一种有规律的管状畸变区。原子发生错排的范围，在一个方向上尺寸较大，而另外两个方向上尺寸

16、的范围，在一个方向上尺寸较大，而另外两个方向上尺寸较小，是一个直径为较小，是一个直径为35个原子间距，长几百到几万个原个原子间距，长几百到几万个原子间距的管状原子畸变区。子间距的管状原子畸变区。u最简单的位错是最简单的位错是刃型位错刃型位错和和螺型位错螺型位错。晶体缺陷之晶体缺陷之位错位错2022-2-2418位错学说的产生位错学说的产生u1926年，弗兰克尔发现理论晶体模型理论剪切屈服强度年，弗兰克尔发现理论晶体模型理论剪切屈服强度与实测临界切应力有巨大差异（与实测临界切应力有巨大差异（24个数量级）。个数量级）。u1934年，泰勒、波朗依、奥罗万几乎同时提出位错的概年，泰勒、波朗依、奥罗万

17、几乎同时提出位错的概念。念。晶体缺陷之晶体缺陷之位错位错u泰勒把位错与晶体塑变的滑移联系起来，认为位错在切泰勒把位错与晶体塑变的滑移联系起来，认为位错在切应力作用下发生运动，依靠位错的逐步传递完成了滑移。应力作用下发生运动，依靠位错的逐步传递完成了滑移。u与刚性滑移不同，位错的移动只需邻近原子作很小距离与刚性滑移不同，位错的移动只需邻近原子作很小距离的弹性偏移就能实现，而晶体其他区域的原子仍处在正常的弹性偏移就能实现，而晶体其他区域的原子仍处在正常位置，因此滑移所需的临界切应力大为减小。位置，因此滑移所需的临界切应力大为减小。2022-2-2419理想晶体的滑移模型和刃型位错的滑移过程2022

18、-2-2420u1939年柏格斯提出用柏氏矢量来表征位错的特性，同年柏格斯提出用柏氏矢量来表征位错的特性，同时引入螺型位错。时引入螺型位错。u1947年柯垂耳利用溶质原子与位错的交互作用解释了年柯垂耳利用溶质原子与位错的交互作用解释了低碳钢的屈服现象。低碳钢的屈服现象。u1950年弗兰克与瑞德同时提出了位错增殖机制年弗兰克与瑞德同时提出了位错增殖机制FR位错源。位错源。u50年代后，透射电镜直接观测到了晶体中位错的存在、年代后，透射电镜直接观测到了晶体中位错的存在、运动、增殖。运动、增殖。晶体缺陷之晶体缺陷之位错位错2022-2-2421透射电镜观测到的位错透射电镜观测到的位错2022-2-2

19、422位错：位错：晶体中某处一列或若干列原子有规律的晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。错排。 意义：意义：对材料的力学行为如塑性变形、强度、对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起着决定性的作用，对材料的扩散、相断裂等起着决定性的作用，对材料的扩散、相变过程有较大影响。变过程有较大影响。2022-2-2423位错之位错之刃型位错刃型位错位错线垂直于滑移方向位错线垂直于滑移方向2022-2-2424刃型位错与螺型位错2022-2-24252022-2-24262022-2-2427u在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，犹如插入的在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，犹如插入的刀刃一

20、样，多余半原子面的刀刃一样，多余半原子面的“刃口刃口”就称为刃型位错线。位就称为刃型位错线。位错线附近区域发生了原子错排，因此称为错线附近区域发生了原子错排，因此称为“刃型位错刃型位错” 。u把多余半原子面在滑移面以上的位错称为正刃型位错，用把多余半原子面在滑移面以上的位错称为正刃型位错，用符号符号“”表示，反之为负刃型位错，用表示，反之为负刃型位错，用“”表示。表示。u含有多余半原子面的晶体受压，原子间距小于正常点阵常含有多余半原子面的晶体受压，原子间距小于正常点阵常数；不含多余半原子面的晶体受张力，原子间距大于正常点数；不含多余半原子面的晶体受张力，原子间距大于正常点阵常数。阵常数。u位错

21、在晶体中引起的畸变在位错线中心处最大，随着离位位错在晶体中引起的畸变在位错线中心处最大，随着离位错中心距离的增大，晶体的畸变逐渐减小错中心距离的增大，晶体的畸变逐渐减小 。刃型位错的概念：刃型位错的概念：2022-2-24281 1）刃型位错有一额外半原子面。其实正、负之分只具相对意义）刃型位错有一额外半原子面。其实正、负之分只具相对意义而无本质的区别。而无本质的区别。2 2）刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。位错线不一定是直线，可以是折线或曲线，但刃型位错线必位错线不一定是直线，可以是折线或曲线，但刃型位错线必与滑移矢量垂

22、直。与滑移矢量垂直。不同形状的刃型位错刃型位错特征刃型位错特征2022-2-24293) 3) 滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面，在滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面，在其他面上不能滑移。由于在刃型位错中，位错线与滑移矢量其他面上不能滑移。由于在刃型位错中，位错线与滑移矢量互相垂直，因此，由它们所构成的平面只有一个。互相垂直，因此，由它们所构成的平面只有一个。4) 4) 晶体中存在刃型位错之后，位错周围的点阵发生弹性畸晶体中存在刃型位错之后，位错周围的点阵发生弹性畸变，既有切应变，又有正应变。就正刃型位错而言，滑移面变，既有切应变，又有正应变。就正刃型位错而言，滑移面上方

23、点阵受到压应力，下方点阵受到拉应力：负刃型位错与上方点阵受到压应力，下方点阵受到拉应力：负刃型位错与此相反。此相反。5) 5) 在位错线周围的过渡区（畸变区）每个原子具有较大的在位错线周围的过渡区（畸变区）每个原子具有较大的平均能量。但该区只有几个原子间距宽，畸变区是狭长的管平均能量。但该区只有几个原子间距宽，畸变区是狭长的管道，所以刃型位错是线缺陷。道，所以刃型位错是线缺陷。2022-2-2430位错之位错之螺型位错螺型位错位错线平行于滑移方向位错线平行于滑移方向2022-2-2431（a）立体图； （b）顶视图螺型位错的原子组态螺型位错的原子组态2022-2-2432螺型位错特征：螺型位错

24、特征： (1)螺形位错没有额外半原子面；螺形位错没有额外半原子面；(2)一定是直线，位错线与滑移方向平行，位错线运动的方向一定是直线，位错线与滑移方向平行，位错线运动的方向与位错线垂直；与位错线垂直；(3)螺形位错线是一个具有一定宽度的细长的晶格畸变管道，螺形位错线是一个具有一定宽度的细长的晶格畸变管道，其中只有切应变，而无正应变；其中只有切应变，而无正应变；(4) 位错畸变区也是几个原子间距宽度，同样是线位错。位错畸变区也是几个原子间距宽度，同样是线位错。2022-2-2433 当位错线既不平行于、当位错线既不平行于、又不垂直于滑移方向时，又不垂直于滑移方向时，可以将晶体的滑移分解可以将晶体

25、的滑移分解为平行于边界线的位移为平行于边界线的位移分量和垂直于边界线的分量和垂直于边界线的分量，也就是将位错看分量，也就是将位错看成是由螺型位错和刃型成是由螺型位错和刃型位错混和而成的，故称位错混和而成的，故称为混和位错。为混和位错。位错之位错之混和位错混和位错2022-2-2434混合位错的原子组态混合位错的原子组态2022-2-2435柏氏矢量柏氏矢量 柏氏矢量是描述位错性质的一个重要物理量，柏氏矢量是描述位错性质的一个重要物理量，1939年年Burgers提出，故称该矢量为提出，故称该矢量为“柏格斯矢柏格斯矢量量”或或“柏氏矢量柏氏矢量”，用，用b 表示。表示。柏氏矢量的确定（方法与步骤

26、）柏氏矢量的确定（方法与步骤）1 1）首先确定位错线方向，一般人为地认为从纸背向纸面或）首先确定位错线方向，一般人为地认为从纸背向纸面或由上向下为位错线正向。由上向下为位错线正向。2 2）用右手螺旋法则来确定柏格斯回路的旋转方向，使位错）用右手螺旋法则来确定柏格斯回路的旋转方向，使位错线的正向与右螺旋的正向一致。线的正向与右螺旋的正向一致。3 3）选择一个含有位错的实际晶体，另选择一个结构相同的）选择一个含有位错的实际晶体，另选择一个结构相同的理想晶体为参考，作柏氏回路。理想晶体为参考，作柏氏回路。2022-2-2436ABAb含有位错的晶体含有位错的晶体供比较用的理想晶体供比较用的理想晶体刃

27、型位错的柏氏回路和柏氏矢量刃型位错的柏氏回路和柏氏矢量刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直，并与滑移面平行刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直，并与滑移面平行2022-2-2437图 刃型位错柏氏矢量的确定2022-2-2438螺型位错的柏氏矢量与位错线平行螺型位错的柏氏矢量与位错线平行2022-2-2439u代表位错，并表示其特征（强度、畸变量）；表示代表位错，并表示其特征（强度、畸变量）；表示晶体滑移的方向和大小。晶体滑移的方向和大小。 u反映出柏氏回路包含的位错所引起点阵畸变的总积反映出柏氏回路包含的位错所引起点阵畸变的总积累。累。u通常将柏氏矢量称为位错强度，该矢量的模通常将柏氏矢量称为位错强度，

28、该矢量的模|b|表示表示了畸变的程度，称为位错的强度。了畸变的程度，称为位错的强度。u位错的许多性质如位错的能量，所受的力，应力场，位错的许多性质如位错的能量，所受的力，应力场，位错反应等均与其有关。它也表示出晶体滑移时原位错反应等均与其有关。它也表示出晶体滑移时原子移动的大小和方向。子移动的大小和方向。柏氏矢量柏氏矢量b b的物理意义的物理意义2022-2-2440u用柏氏矢量可判断位错的类型。用柏氏矢量可判断位错的类型。u用柏氏矢量可以表示晶体滑移的方向和大小。位错运动导用柏氏矢量可以表示晶体滑移的方向和大小。位错运动导致晶体滑移时，滑移量大小即柏氏矢量致晶体滑移时，滑移量大小即柏氏矢量b

29、 b，滑移方向即为柏，滑移方向即为柏氏矢量的方向。氏矢量的方向。 u柏氏矢量的守恒性：一条位错线具有唯一的柏氏矢量；柏氏矢量的守恒性：一条位错线具有唯一的柏氏矢量；若若位错可分解，则分解后各分位错的柏氏矢量之和等于原位错位错可分解，则分解后各分位错的柏氏矢量之和等于原位错的柏氏矢量。的柏氏矢量。u位错具有连续性，不能中断于晶体内部。其存在形态可形位错具有连续性，不能中断于晶体内部。其存在形态可形成一个闭合的位错环，或连接于其他位错，或终止在晶界，成一个闭合的位错环，或连接于其他位错，或终止在晶界，或露头于晶体表面。或露头于晶体表面。柏氏矢量的特征柏氏矢量的特征2022-2-2441321bbb

30、 2022-2-2442位错线与柏氏矢量的位向关系区分位错的类型和性质位错线与柏氏矢量的位向关系区分位错的类型和性质正正 负负刃型刃型bbbb右右 左左螺型螺型bb1b2混和型混和型2022-2-2443柏氏矢量的表示方法柏氏矢量的表示方法u柏矢量对于柏矢量柏矢量对于柏矢量b b沿晶向沿晶向uvw的位错的位错u柏矢量的模柏矢量的模的计算就是矢量模的计算。对于柏矢量的模柏矢量的模的计算就是矢量模的计算。对于立方晶系：立方晶系：u位错的加法按照矢量加法规则进行。位错的加法按照矢量加法规则进行。 2022-2-2444晶体中位错的萌生晶体中位错的萌生1. 液体金属凝固形成位错液体金属凝固形成位错 液

31、体在凝固时出现许多枝晶，两相邻的枝晶生长过程液体在凝固时出现许多枝晶，两相邻的枝晶生长过程中容易发生碰撞或受液流冲击，从而出现点阵错排。中容易发生碰撞或受液流冲击，从而出现点阵错排。2. 过饱和空位凝聚过程形成位错过饱和空位凝聚过程形成位错 高温下晶体中都含有大量的空位，当冷却较快时，将会高温下晶体中都含有大量的空位，当冷却较快时，将会保留下来形成空位片，空位片崩塌后形成位错。保留下来形成空位片，空位片崩塌后形成位错。3. 局部应力集中形成位错局部应力集中形成位错 晶体内部的某些晶面，如第二相质点、孪晶界、晶界等晶体内部的某些晶面，如第二相质点、孪晶界、晶界等附近往往出现应力集中，当此应力足以

32、使该局部区域发附近往往出现应力集中，当此应力足以使该局部区域发生塑性变形就会产生位错。生塑性变形就会产生位错。2022-2-2445位错的运动u位错的滑移位错的滑移u位错沿滑移面的移动称为滑移。位错沿滑移面的移动称为滑移。位错的滑移2022-2-2446u当一个刃型位错沿滑移面滑过整个晶体，就会在晶体表面当一个刃型位错沿滑移面滑过整个晶体，就会在晶体表面产生宽度为一个柏氏矢量产生宽度为一个柏氏矢量b b的台阶，造成晶体的塑性变形。的台阶，造成晶体的塑性变形。u在滑移时，刃型位错的移动方向一定是与位错线相垂直，在滑移时，刃型位错的移动方向一定是与位错线相垂直，即与其柏氏矢量相一致。即与其柏氏矢量

33、相一致。u位错线沿着滑移面移动时，它所扫过的区域是已滑移区，位错线沿着滑移面移动时，它所扫过的区域是已滑移区，而位错线未扫过的区域为未滑移区。而位错线未扫过的区域为未滑移区。刃型位错滑移导致晶体塑性变形的过程2022-2-2447（a）原始位置； （b）位错向左移动一个原子间距图 螺型位错滑移 2022-2-2448螺型位错滑移导致晶体塑性变形的过程u在切应力作用下，螺型位错的移动方向是与其柏氏矢量相在切应力作用下，螺型位错的移动方向是与其柏氏矢量相垂直。对于螺型位错，由于位错线与柏氏矢量平行，所以它垂直。对于螺型位错，由于位错线与柏氏矢量平行，所以它不象刃型位错那样具有确定的滑移面，而可在通

34、过位错线的不象刃型位错那样具有确定的滑移面，而可在通过位错线的任何原子平面上滑移。如果螺型位错在某一滑移面滑移后转任何原子平面上滑移。如果螺型位错在某一滑移面滑移后转到另一通过位错线的临近滑移面上滑移的现象称为交滑移。到另一通过位错线的临近滑移面上滑移的现象称为交滑移。2022-2-2449u刃型位错除了可以在滑移面上滑移外，还可垂直于滑移面刃型位错除了可以在滑移面上滑移外，还可垂直于滑移面发生攀移。发生攀移。u当半原子面下端的原子跳离，即空位迁移到半原子面下端当半原子面下端的原子跳离，即空位迁移到半原子面下端时，半原子面将缩短，表现为位错向上移动，这种移动叫时，半原子面将缩短，表现为位错向上

35、移动，这种移动叫做正攀移。反之叫做负攀移。做正攀移。反之叫做负攀移。u位错攀移时伴随着物质的迁移，需要扩散才能实现。因为位错攀移时伴随着物质的迁移，需要扩散才能实现。因为攀移需要原子扩散，所以较之滑移所需的能量更大。对于攀移需要原子扩散，所以较之滑移所需的能量更大。对于大多数金属，这种运动在室温下很难进行。因此，位错攀大多数金属，这种运动在室温下很难进行。因此，位错攀移时需要热激活，也就是比滑移需要更大的能量。移时需要热激活，也就是比滑移需要更大的能量。u通常称攀移为通常称攀移为“非守恒运动非守恒运动”，滑移则称为，滑移则称为“守恒运动守恒运动”。位错的攀移位错的攀移2022-2-2450位错

36、的攀移2022-2-2451v面缺陷的定义面缺陷的定义v面缺陷：在两个方向上尺寸很大，在一个方向上面缺陷：在两个方向上尺寸很大，在一个方向上尺寸很小的缺陷。尺寸很小的缺陷。 v面缺陷的类型面缺陷的类型v金属中常见的面缺陷有金属中常见的面缺陷有表面表面、晶界晶界、亚晶界亚晶界和和相相界界。1.10 晶界晶界2022-2-2452晶界晶界界面界面晶界晶界孪晶界孪晶界相界相界共格孪晶界共格孪晶界非共格孪晶界非共格孪晶界小角度晶界小角度晶界大角度晶界大角度晶界倾侧晶界倾侧晶界扭转晶界扭转晶界共格相界共格相界非共格相界非共格相界准共格相界准共格相界2022-2-2453晶界之晶界之小角晶界小角晶界属于同

37、一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界；属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界；而每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的亚晶粒所组而每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的亚晶粒所组成，相邻亚晶粒间的界面称为亚晶界。成，相邻亚晶粒间的界面称为亚晶界。晶界与亚晶界示意图晶界与亚晶界示意图2022-2-2454 从晶体几何学的角度来看，两晶粒交接后，各晶粒原从晶体几何学的角度来看，两晶粒交接后，各晶粒原子排列的位向差的角度，就称为子排列的位向差的角度，就称为晶界角晶界角。1 2 (111)(111)晶粒晶粒1晶粒晶粒2晶界角晶界角 1 2 ，1 2时称为对称晶界，否则为非时称为对称晶界，否则为

38、非对称晶界。对称晶界。 10称为大角晶界，称为大角晶界，10 称为小角晶界。称为小角晶界。 2022-2-2455 对于小角晶界，可以假定沿一平面将一完整单对于小角晶界，可以假定沿一平面将一完整单晶分成两半，然后绕一旋转轴使两半晶体相对晶分成两半，然后绕一旋转轴使两半晶体相对旋转一个小角度旋转一个小角度 ，根据旋转轴与界面的相对，根据旋转轴与界面的相对取向的不同，小角晶界分成取向的不同，小角晶界分成倾侧晶界、扭转晶倾侧晶界、扭转晶界界及及一般晶界。一般晶界。晶界之晶界之小角晶界小角晶界2022-2-2456小角晶界之小角晶界之倾侧晶界倾侧晶界 当当旋转轴平行于界面旋转轴平行于界面时，两半晶体相

39、对于界面时，两半晶体相对于界面发生倾转，这种界面叫做发生倾转，这种界面叫做倾侧晶界倾侧晶界。 对称倾侧晶界对称倾侧晶界-相当于两部分晶体，沿着平行于相当于两部分晶体，沿着平行于界面的某一轴线，各自转过方向相反的界面的某一轴线，各自转过方向相反的2而而形成的。形成的。 对称倾侧晶界的形成对称倾侧晶界的形成2022-2-2457对称倾侧晶界对称倾侧晶界对称倾侧晶界是由一系列平行等距的刃位错垂直排列而组成对称倾侧晶界是由一系列平行等距的刃位错垂直排列而组成 bbD2sin2 位错间距位错间距D与柏氏矢量和与柏氏矢量和位向差之间有如下关系：位向差之间有如下关系： 2022-2-2458非对称倾侧晶界非

40、对称倾侧晶界 当晶界两边的晶体相对于界面旋当晶界两边的晶体相对于界面旋转不同角度时，便形成非对称倾转不同角度时，便形成非对称倾侧晶界。侧晶界。 非对称倾侧晶界除了两晶粒的取非对称倾侧晶界除了两晶粒的取向差向差外，位错的分布还取决于外，位错的分布还取决于晶界面与晶界两边晶体的对称面晶界面与晶界两边晶体的对称面之间的夹角之间的夹角 。2022-2-2459小角晶界之小角晶界之扭转晶界扭转晶界 当旋转轴垂直于界面时，晶面两边晶体相对旋当旋转轴垂直于界面时，晶面两边晶体相对旋转转就形成扭转晶界。就形成扭转晶界。2022-2-2460简单立方晶体中的扭转晶界示意图简单立方晶体中的扭转晶界示意图扭转晶界的

41、结构扭转晶界的结构可看成是由互相可看成是由互相交叉的螺型位错交叉的螺型位错所组成。所组成。2022-2-2461u旋转轴与界面既不垂直，也不平行，成任旋转轴与界面既不垂直，也不平行，成任意取向关系。意取向关系。u这样的界面有这样的界面有5个独立的参数：个独立的参数： 晶体两部分的相对旋转角晶体两部分的相对旋转角 ；界面法线方向；界面法线方向；旋转轴的方向。旋转轴的方向。小角晶界之小角晶界之一般小角晶界一般小角晶界2022-2-2462大角晶界大角晶界u相邻晶粒的位向差大于相邻晶粒的位向差大于1010的晶界称为大角度晶界。的晶界称为大角度晶界。u大角度晶界的结构较复杂，大角度晶界的结构较复杂，原

42、子排列很不规则，由不规则原子排列很不规则，由不规则的台阶组成的。晶界可看成坏的台阶组成的。晶界可看成坏区与好区交替相间组合而成。区与好区交替相间组合而成。大角度晶界模型大角度晶界模型晶界之晶界之大角晶界大角晶界2022-2-2463模型模型1）过冷液体模型）过冷液体模型2）小岛模型）小岛模型3）晶界重合位置点阵模型）晶界重合位置点阵模型大角晶界大角晶界2022-2-2464过冷液体模型过冷液体模型 晶界处原子排列与过冷液体（非晶态玻璃）相晶界处原子排列与过冷液体（非晶态玻璃）相似，即长程无序而短程有序。晶界上的原子处似，即长程无序而短程有序。晶界上的原子处于亚稳状态，原子的活动性比较强。于亚稳

43、状态，原子的活动性比较强。2022-2-2465u莫特（莫特（Mott）u在大角度晶界区存在原子排列匹配较好，具有在大角度晶界区存在原子排列匹配较好，具有晶态特征的晶态特征的“岛岛”，其尺寸几个到几十个原子，其尺寸几个到几十个原子距离。晶界由原子有序排列成的岛屿与围绕这距离。晶界由原子有序排列成的岛屿与围绕这些岛屿的原子排列较为混乱的区域或无序排列些岛屿的原子排列较为混乱的区域或无序排列的岛屿被有序排列原子所包围。的岛屿被有序排列原子所包围。小岛模型小岛模型2022-2-2466晶界重合位置点阵模型晶界重合位置点阵模型uBrandon 1964u当晶体两部分绕旋转轴旋转一定角度后，将界面两边当

44、晶体两部分绕旋转轴旋转一定角度后，将界面两边的晶体点阵延伸，两个点阵中有的晶体点阵延伸，两个点阵中有1/ 的阵点相重合，的阵点相重合，这些重合的阵点构成一个超点阵，这个超点阵叫做重这些重合的阵点构成一个超点阵，这个超点阵叫做重合位置点阵（合位置点阵（coincidence site lattice, CSL)，简称重位，简称重位点阵。点阵。u 是一个整奇数，为重合阵点密度的倒数，用来表是一个整奇数，为重合阵点密度的倒数，用来表征重合界面。重合阵点密度越高，征重合界面。重合阵点密度越高， 越小，晶界处两越小，晶界处两部分晶体原子间匹配越好，晶界能量也就越低。部分晶体原子间匹配越好，晶界能量也就越

45、低。2022-2-2467在二维正方点阵中，当两个在二维正方点阵中，当两个相邻晶粒的位向差为相邻晶粒的位向差为3737时时，设想两晶粒的点阵彼此通，设想两晶粒的点阵彼此通过晶界向对方延伸，其中一过晶界向对方延伸，其中一些原子将出现有规律的相互些原子将出现有规律的相互重合，由这些原子重合位置重合，由这些原子重合位置所组成比原来晶体点阵大的所组成比原来晶体点阵大的新点阵，通常称为重合位置新点阵，通常称为重合位置点阵。点阵。重合位置点阵模型重合位置点阵模型 2022-2-2468孪晶孪晶是指两个晶体是指两个晶体( (或或一个晶体的两部分一个晶体的两部分) )沿沿一个公共晶面构成镜面一个公共晶面构成镜

46、面对称的位向关系，这两对称的位向关系，这两个晶体就称为个晶体就称为“孪晶孪晶(twin)”(twin)”，此公共晶面，此公共晶面就称孪晶面。就称孪晶面。孪晶界孪晶界孪晶界孪晶界2022-2-24692022-2-2470晶界的特性晶界的特性1).晶界处点阵畸变大，存在着晶界能晶界处点阵畸变大，存在着晶界能。晶界的形成局。晶界的形成局部破坏了晶体的周期性结构，使晶体的能量增大。晶部破坏了晶体的周期性结构，使晶体的能量增大。晶粒的长大和晶界的平直化都能减少晶界面积，从而降粒的长大和晶界的平直化都能减少晶界面积，从而降低晶界的总能量，这是一个自发过程。然而晶粒的长低晶界的总能量，这是一个自发过程。然

47、而晶粒的长大和晶界的平直化均需通过原子的扩散来实现，因此，大和晶界的平直化均需通过原子的扩散来实现，因此，随着温度升高和保温时间的增长，均有利于这两过程随着温度升高和保温时间的增长，均有利于这两过程的进行。的进行。 形成单位面积晶界所需的能量叫做晶界能。形成单位面积晶界所需的能量叫做晶界能。2022-2-2471 2).晶界处原子排列不规则，因此在常温下晶界处原子排列不规则，因此在常温下晶界的存在会对晶界的存在会对位错的运动起阻碍作用位错的运动起阻碍作用，致使塑性变形抗力提高，宏观表，致使塑性变形抗力提高，宏观表现为晶界较晶内具有较高的强度和硬度。晶粒愈细，材料现为晶界较晶内具有较高的强度和硬

48、度。晶粒愈细，材料的强度愈高，这就是细晶强化；而高温下则相反，因高温的强度愈高，这就是细晶强化；而高温下则相反，因高温下晶界存在一定的粘滞性，易使相邻晶粒产生相对滑动。下晶界存在一定的粘滞性，易使相邻晶粒产生相对滑动。3).晶界处原子偏离平衡位置，具有较高的动能，并且晶界晶界处原子偏离平衡位置，具有较高的动能，并且晶界处存在较多的缺陷如空穴、杂质原子和位错等，故处存在较多的缺陷如空穴、杂质原子和位错等，故晶界处晶界处原子的扩散速度比在晶内快原子的扩散速度比在晶内快得多。得多。 晶界的特性晶界的特性2022-2-2472 4).在固态相变过程中，由于晶界能量较高且原子活动在固态相变过程中，由于晶

49、界能量较高且原子活动能力较大，所以能力较大，所以新相易于在晶界处优先形核新相易于在晶界处优先形核。显然，。显然，原始晶粒愈细，晶界愈多，则新相形核率也相应愈高。原始晶粒愈细，晶界愈多，则新相形核率也相应愈高。5).由于由于成分偏析成分偏析和内吸附现象，特别是晶界富集杂质和内吸附现象，特别是晶界富集杂质原子情况下，往往原子情况下，往往晶界熔点较低晶界熔点较低，故在加热过程中，故在加热过程中，因温度过高将引起晶界熔化和氧化，导致因温度过高将引起晶界熔化和氧化，导致过热过热现象现象产生。产生。6).由于晶界能量较高、原子处于不稳定状态，以及晶由于晶界能量较高、原子处于不稳定状态，以及晶界富集杂质原子

50、的缘故，与晶内相比，界富集杂质原子的缘故，与晶内相比，晶界的腐蚀速晶界的腐蚀速度一般较快度一般较快。这就是用腐蚀剂显示全相样品组织的依。这就是用腐蚀剂显示全相样品组织的依据，也是某些金属材料在使用中发生晶间腐蚀破坏的据，也是某些金属材料在使用中发生晶间腐蚀破坏的原因。原因。晶界的特性晶界的特性2022-2-2473晶界偏析晶界偏析 一般来说，晶界结构比晶内松散，溶质原子处一般来说，晶界结构比晶内松散，溶质原子处在晶内的能量比处在晶界的能量要高，所以溶在晶内的能量比处在晶界的能量要高，所以溶质原子有自发地向晶界偏聚的趋势，就会发生质原子有自发地向晶界偏聚的趋势，就会发生晶界偏析。晶界偏析。 晶界偏析使系统能量降低，是一种平衡偏析。晶界偏析使系统能量降